Medžiagų apykaita, metabolizmas

Tai yra cheminių reakcijų, vykstančių gyvajame organizme, visuma, garantuojanti jų augimą, gyvybiškumą, atsinaujinimą, pastovų sąlytį ir apykaitą su juos supančia aplinka. Medžiagų apykaitos metu vyksta ląstelių molekulių skilimas ir sintezė, ląstelių struktūrų ir tarpląstelinės medžiagos irimas ir atsinaujinimas. Pavyzdžiui, žmogaus visų audinių baltymų skilimo pusperiodis yra 80 parų, kepenų ir kraujo serumo baltymų – 10 parų, o raumenų baltymų – 180, kepenų fermentų – 2–4 val. Medžiagų apykaita neatsiejama nuo energijos apykaitos: sudėtingų organinių molekulių cheminių ryšių potencinė energija cheminių virsmų būdu paverčiama kitomis energijos rūšimis, kurios naudojamos naujų junginių sintezei, ląstelių struktūroms ir funkcijoms, kūno temperatūrai palaikyti ir darbui atlikti ir t. t. Visas medžiagų apykaitos ir energijos virsmų reakcijas katalizuoja fermentai. Joms būdinga tvarka ir seka, nepaisant to, kad medžiagų apykaitoje dalyvauja gausybė cheminių junginių. Medžiagų apykaitą sudaro 2 tarpusavyje susiję, vienu metu vykstantys organizme procesai: asimiliacija ir disimiliacija, arba anabolizmas ir katabolizmas. Katabolinių reakcijų metu skyla stambios organinės molekulės iki paprastų junginių kartu išsiskiria energija, kuri kaupiama daugelio fosfatinių ryšių forma ATP ir kitų energijos turinčių junginių pavidalu. Kataboliniai virsmai paprastai vyksta hidrolizinių ir oksidacinių reakcijų būdu. Jos gali vykti be deguonies (anaerobinis kelias – glikolizė, rūgimas) arba dalyvaujant deguoniui (aerobinis kelias – audinių kvėpavimas). Antrasis kelias evoliucine prasme daug jaunesnis ir energiniu požiūriu daug veiksmingesnis. Jo metu organiniai junginiai visiškai suskyla iki CO₂ ir H₂O. Įvairūs organiniai junginiai katabolinių reakcijų metu virsta nedidelėmis molekulėmis: angliavandeniai – triozių fosfatais ir (arba) piruvatu, riebalai – acetil-KoA, propionil-KoA ir gliceroliu, baltymai – aminorūgštimis, o šios atitinkamai – acetil-KoA, oksaloacetatu, ά-oksoglutaratu, fumaratu, sukcinatu ir galutiniais azoto apykaitos produktais – šlapalu, amoniaku, šlapimo rūgštimi ir kt.

Anabolinių virsmų metu sintetinamos sudėtingos molekulės ir paprastos molekulės pirmtakai. Autotrofiniai organizmai (augalai, kai kurios bakterijos) geba sintetinti pirminius organinius junginius iš CO₂, naudodami saulės (fotosintezė) arba neorganinių junginių oksidacijos energiją. Heterotrofai sintetina organinius junginius tik iš energijos ir produktų, kurie susidaro katabolinių virsmų metu. Sintezės žaliava šiuo atveju yra nedidelis junginių skaičius: acetil-KoA, sukcinil-KoA, ribozė, piruvo rūgštis, glicerolis, glicinas, aminorūgštys ir kt. Kiekviena ląstelė sintetina sau būdingus baltymus, riebalus, angliavandenius ir kitus junginius. Pavyzdžiui, raumenų glikogenas sintetinamas raumenų ląstelėse, o netiekiamas krauju iš kepenų.

Katabolizmas ir anabolizmas ląstelėse vyksta vienu metu, o paskutinės katabolizmo stadijos tampa anabolizmo pradinėmis stadijomis. Tačiau katabolizmo ir anabolizmo keliai neatitinka vieni kitų. Be to, pavienės medžiagų apykaitos reakcijos vyksta skirtingose ląstelių dalyse. Visa glikolizės fermentų sistema yra tirpioje ląstelės frakcijoje, biologinės oksidacijos ir oksidacinio fosforilinimo – mitochondrijose, hidroliziniai fermentai – lizosomose, baltymo sintezės procesai – ribosomose, lipidų sintezės fermentai – endoplazminiame tinkle ir taip toliau. Skirtingose ląstelės vietose vyksta ir chemiškai nesuderinamos reakcijos, pavyzdžiui, riebalų rūgščių oksidaciją katalizuoja fermentų rinkinys esantis mitochondrijose, o jų sintezę iš acetil-KoA katalizuoja kitas fermentų rinkinys, esantis citoplazmoje.

Nors kataboliniam ir anaboliniam keliams reikia specifinių fermentų rinkinių, bet juos tarpusavyje jungia bendros medžiagos. Ypatingai svarbus tarpinės apykaitos produktas yra acetil-KoA. Didelę svarbą turi trikarboksirūgščių (Krebso) ciklas, kurio metu acetil-KoA per daugelį tarpinių produktų visiškai oksiduojama iki CO₂ ir H₂O. Tuo pačiu metu iš acetil-KoA galima sintetinti riebalų rūgštis, cholesterolį, azoto turinčius junginius ir kt. Evoliucijos metu organizmuose susiformavo subtilios reguliacinės sistemos, garantuojančios tobulą tvarkingumą ir reakcijų suderinamumą, leidžiantį jiems prisitaikyti prie kintančių aplinkos sąlygų. Visuose organizmuose yra vienodos ląstelių reguliacijos sistemos. Taigi biocheminių reakcijų intensyvumą ir kryptingumą galima reguliuoti arba veikiant fermento aktyvumą, tai yra jį slopinant arba aktyvinant, arba reguliuojant jo sintezę ir degradaciją. Didelę reikšmę reguliacijai turi griežtas fermentų išsidėstymas ląstelių struktūrose, taip pat atrankusis ląstelių membranų pralaidumas. Aukštesnieji organizmai turi pagalbinius reguliacijos mechanizmus – nervinius ir hormoninius. Audinių atrofija po denervacijos tai patvirtina.

Šaltinis | Dažniausiai vartojamų biomedicinos terminų ir sąvokų aiškinamasis žinynas | Lietuvos sveikatos mokslų universitetas | Akademikas Profesorius Antanas Praškevičius, Profesorė Laima Ivanovienė